[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Nutzwärme durch Einsatz bisher
nicht genutzter. Abfallwärme nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine
Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
[0002] Trotz Einführung vieler Maßnahmen zur Einsparung der Energie innerhalb industrieller
Prozesse geht nach wie vor ein erheblicher Teil der eingesetzten Primärenergie als
Abfallwärme an die Umgebung über. Beispiele hierfür sind die Trocknung von Milch,
Papier, Textilien und Füllstoffen. Dabei entstehen feuchte Brüden mit einer Taupunkttemperatur
von 80 - 95
oC, die über einen großen Energieinhalt verfügen. Dieser Energieinhalt kann meistens
nicht in den vorgeschalteten Prozessen wieder verwendet werden, da die Brüdentemperatur
zur Wärmeabgabe nicht ausreicht. Weitere Beispiele findet man bei der Destillation
und Rektifikation (Gewinnung von Alkohol und Kohlenwasserstoffen). Auch dort wird
die Kondensationswärme am Kolonnenkopf in der Regel als Abfallwärme an die Umgebung
(über Kühlwasser oder Kühlluft) abgeführt. Die Abfallwärme läßt sich jedoch nach Anhebung
ihrer Temperatur im Prozeß selbst oder für andere Zwecke nutzen. Die Anhebung der
Abfallwärmetemperatur kann bekanntlich mit Hilfe von Wärmepumpen und Wärmetransformatoren
durchgeführt werden (1).
[0003] Bei der Wärmepumpe muß jedoch hochwertige Energie (mechanische oder elektrische Energie)
eingesetzt werden. Außerdem benötigt die Wärmepumpe in der Regel sehr aufwendige Maschinen,
wie Hochdruckverdichter, so daß durch hohe Investitions- und Betriebskosten kein wirtschaftlicher
Betrieb möglich ist. Wärmetransformatoren benötigen keine hochwertige Energie und
bestehen bekanntlich im wesentlichen aus einem Austreiber, einem Kondensator, einem
Verdampfer und einem Absorber. Während dem Austreiber und dem Verdampfer die Abfallwärme
(z. B. über den Trocknerbrüden) zugeführt wird, gibt der Absorber die Nutzwärme, der
Kondensator die (nicht verwertbare) Abwärme ab.
[0004] Ein Wärmetransformator kann auch zwecks einer größeren Temperaturanhebung zweistufig
ausgeführt werden (1). Die wesentlichen Nachteile der nach dem Stand der Technik bekannten
Wärmetransformatoren sind die häufig nicht ausreichende Temperaturanhebung bei einem
akzeptablen Wärmeverhältnis, die aufwendige Fertigung, die großen Verluste bei der
Absorption bzw. Desorbtion und die Gefahr der Kristallausscheidung bei Verwendung
von Lithiumbromid / Wasser als Arbeitsgemisch. Hieraus resultiert, daß in vielen technisch
relevanten Fällen eine Wärmetransformation nicht oder nicht wirtschaftlich durchgeführt
werden kann. Es ist z. B. nicht möglich, mit den nach dem Stand der Technik verfügbaren
Wärmetransformatoren eine Temperaturanhebung von 70
oC auf 120
oC bei einem Wärmeverhältnis von 0,3 und einer Kühlmitteltemperatur von 25
oC zu erreichen.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Wärmetransformation in kompakter Bauweise für höhere Temperaturanhebungen oder für
bessere Wärmeverhältnisse zu schaffen und dabei insbesondere durch eine neue Verfahrensschaltung
sowie eine günstige Apparategestaltung und -anordnung wesentliche Verbesserungen des
Wirkungsgrades bzw. der Wirtschaftlichkeit zu erreichten.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach dem Patentanspruch 1
gelöst.
[0007] Der wesentliche Gedanke besteht darin, daß das aus einem Kondensator ankommende Arbeitsmittelkondensat
zunächst auf höheren Druck gebracht, anschließend erwärmt und dann in zwei Teilströme
geteilt wird, von dem ein Teilstrom in einen mit Abfallwärme beheizten Verdampfer
gelangt und dort verdampft, während der andere Teilstrom nach Druckerhöhung in einem
mit dem Verdampfer in einem Gehäuse befindlichen Mitteldruckabsorber verdampft wird.
Der verdampfte Teilstrom im Verdampfer wird im Mitteldruckabsorber durch eine reiche
Lösung absorbiert und liefert die Wärme zur Verdampfung des zweiten Teilstroms, der
anschließend in einem Hochdruckabsorber wiederum von einer armen Lösung absorbiert
wird und dadurch die Nutzwärme für eine externe Verwendung liefert. Als Nutzwärmeträger
kann z. B. Wasserdampf benutzt werden. Die auf diese Weise erzeugte reiche Lösung
heizt die ankommende arme Lösung zum Hochdruckabsorber auf und tritt nach Abkühlung
und Drosselung in den Mitteldruckabsorber ein, in dem die Absorption zwecks Wärmeabgabe
an den zweiten Teilstrom des Lösungsmittelkondensates erfolgt.
[0008] Die so entstandene reiche Lösung verläßt den Mitteldruckabsorber und gibt anschließend
Wärme an das gesamte Lösungsmittelkondensat sowie an die arme Lösung aus einem Austreiber
ab. Sie tritt nach Drosselung in einen Austreiber ein, der wie der Verdampfer mit
Abfallwärme beheizt wird. Hier entweicht aus der reichen Lösung der Arbeitsmitteldampf,
der in einem Kondensator, der sich mit dem Austreiber in einem einzigen Gehäuse befindet,
niederschlägt. Das Arbeitsmittelkondensat wird dann nach Druckerhöhung und Erwärmung
in den Verdampfer und in den Mitteldruckabsorber geschickt, wodurch sich der Kreislauf
schließt.
[0009] Das beschriebene Verfahren ermöglicht höhere Temperaturanhebungen bei guten Wärmeverhältnissen.
Es ist z. B. möglich, aus einem Abfallwärmestrom bei 70
oC einen Nutzwärmestrom von 120
oC zu erzeugen. Das Wärmeverhältnis beträgt hierbei 0,33, wenn die Kühlmitteltemperatur
25
oC beträgt.
[0010] Bei der Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft, daß der Teilstrom
d2 des Arbeitsmittelkondensates einem Verdampfer V zugeführt wird, dort verdampft und
anschließend dem Innenraum des Rohrbündels eines Mitteldruckabsorbers MA zugeführt
wird, indem er von einer reichen Lösung
r2 unter Freisetzung von Absorptionswärme zur Verdampfung des Teilstromes
d2 im Außenraum des Rohrbündels aufgenommen wird und dabei die reiche Lösung
r2 bildet.
[0011] "Mit besonderem Vorteil lassen sich auch Verfahrensschritte nach den Patentansprüchen
3 bis 6 anwenden."
[0012] Für den Kreislauf des beschriebenen Verfahrens wird als Arbeitsmittel Lithiumbromid
/ Wasser mit Zusätzen gegen Korrosion bevorzugt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens benutzt man eine Vorrichtung gemäß Ansprüche 7 bis 30. Diese Vorrichtung
hat die Vorteile der kompakten Anordnung und läßt sich auf einfache und kostengünstige
Art fertigen. Feiner können mit dieser Vorrichtung die verfahrensbedingten Strömungsprobleme
gut gelöst werden. Der Austreiber und der Kondensator sind in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht, wobei die Rohre in zwei ebenfalls gemeinsamen Rohrböden enden. Vorzugsweise
wird ein quadratischer Querschnitt für das Rohrbündel des Austreibers verwendet. Dies
hat den Vorteil, daß die Zufuhr der armen Lösung mit Hilfe einer Düse in einfacher
Art geschehen kann. Der Sumpf des Austreibers ist über eine Zwischenwand vom Kondensator
getrennt, wobei zur Vermeidung von Flüssigkeitströpfchen ein Ableitblech und ein Tropfenabscheider
vorgesehen sind. Über den Demister tritt der Arbeitsmitteldampf in den Kondensator
ein und kondensiert dort.
[0013] Ebenso sind der Verdampfer und der Mitteldruckabsorber in einem einzigen Gehäuse
mit den gleichen Merkmalen wie beim Austreiber und Kondensator untergebracht. Schließlich
besteht der Hochdruckabsorber ebenso aus senkrecht verlaufenden Rohren, die in zwei
Rohrböden enden und von einem quadratischen Gehäuse umgeben sind. Somit sind alle
Apparate senkrecht angeodnet. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung und die Einhaltung
einer kleineren Grundfläche.
[0014] In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Dampfabscheidung
im Mitteldruck- und Hochdruckabsorber über zwei Dampfabscheider erfolgt. Damit kann
eine sichere Trennung von Dampf und Flüssigkeit erreicht werden. Unterhalb der senkrecht
angeordneten Apparate werden die übrigen Wärmetauscher bzw. Pumpen angeordnet. Auf
diese Weise wird Material und Grundfläche eingespart.
[0015] "Vorteilhafte Gestaltungsmerkmale der Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens ergeben
sich auch aus den Patentansprüchen 8 bis 30.''
[0016] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- das Verfahrensschema zur Erzeugung von Nutzwärme höherer Temperatur durch Einsatz
von Abfallwärme niederer Temperatur
- Fig. 2 und 3
- eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in wirtschaftlicher Bauweise.
[0017] Gemäß Fig. 1 wird die Abfallwärme vom Austreiber A und vom Verdampfer V aufgenommen.
Der Abfallwärmeträger
H wird über die Ventile V3 und V4 aufgeteilt und als Einzelströme
H1 und
H2 dein Austreiber A bzw. dem Verdampfer V zugeführt. Beide Ströme kühlen sich durch
Wärmeabgabe ab und werden danach wieder zu dem Massenstrom
H vereinigt, der dann die Anlage verläßt. Im Austreiber A und im Verdampfer V kann
auch die latente Wärme abgegeben werden (Kondensation).
[0018] Im Austreiber A wird die reiche Lösung
r2 vom Zustand 2 eingeführt und auf ein Rohrbündel mit Hilfe einer geeigneten Verteilervorrichtung
versprüht. Durch Wärmeaufnahme verdampft ein Teil des Lösungsmittels. Beide Ströme
- Lösungsmitteldampf und flüssiges Lösungsmittel - durchströmen die senkrecht stehenden
Rohre abwärts in Richtung des Sumpfes, und es entsteht die arme Lösung
a. Im Sumpf wird die arme Lösung vom Zustand 3 gesammelt, während der Lösungsmitteldampf
über einen Flüssigkeitsabscheider in den Kondensator K eintritt (Zustand 5). Der Kondensator
K wird z. B. durch Kühlwasser
w gekühlt. Er besteht ebenso aus senkrechten Rohren, die von der äußeren Seite mit
Kühlwasser beaufschlagt werden. Der Dampf und das Kondensat strömen in den Rohren
im Gegenstrom zueinander, wobei das Kondensat im Sumpf gesammelt wird (Zustand 6)
und mit Hilfe der Pumpe P3 auf einen höheren Druck gebracht wird (Zustand 7). Nach
Erwärmung im Wärmetauscher LW3 erreicht das Kondensat den Zustand 7'. Hier wird der
Kondensatmassenstrom
d in zwei Massenströme
d1 und
d2 aufgeteilt.
[0019] Der Massenstrom
d2 tritt in die Umwälzleitung des Verdampfers V ein und vermischt sich mit dem Umwälzstrom
V aus dem Sumpf. Beide Ströme werden mit Hilfe der Pumpe P4 nach oben gefördert und
durch eine Verteilervorrichtung auf die senkrechten Rohre des Verdampfers V versprüht.
Der Verdampfer enthält ebenso senkrechte Rohre. In den Rohren verdampft ein Teil des
Lösungsmittels und strömt im Gleichstrom zu dem übrigen Lösungsmittel in Richtung
des Sumpfes. Am unteren Ende des Rohrbündels ist der zugeführte Teilstrom
d2 vollständig verdampft.
[0020] Im Sumpf tritt der entstandene Dampf vom Zustand 8 über einen Tropfenabscheider in
den Mitteldruckabsorber ein. Während das restliche Lösungsmittel
V gemeinsam mit dem eintretenden Massenstrom
d2 umgewälzt wird. Im Verdampfer wird praktisch das Kondensat
d2 in die dampfförmige Phase überführt. Der über einen Tropfenabscheider in den Mitteldruckabsorber
MA übertretende Dampf vom Zustand 8 wird zur Erzeugung von Wärme von der reichen Lösung
r1 vom Zustand 10 absorbiert und vollständig niedergeschlagen. Dazu wird die reiche
Lösung
r1 auf ein Rohrbündel gleichmäßig verteilt. Im Gegenstrom hierzu strömt der Dampf
d2 von unten nach oben durch die Rohre und wird vollständig absorbiert. Gleichzeitig
tritt der restliche Teil des Kondensats
d1 nach Druckerhöhung durch die Pumpe P5 hinter dem Wärmetauscher LW3 gemeinsam mit
dein Umwälzstrom
U1 über die Umwälzpumpe P6 in den äußeren Raum des Rohrbündels des Mitteldruckabsorbers
MA ein und nimmt dort die s. g. Absorptionswärme auf. Die Strömung erfolgt im Außenraum
des Rohrbündels von unten nach oben vorteilhaft über mehrere Umlenkbleche. Am Austritt
aus dem Rohrbündel ist der Anteil
d1 verdampft, und es liegt eine zweiphasige Strömung vor. Im nachgeschalteten mechanischen
Dampfabscheider G1 wird dann der Dampfmassenstrom
d1 von der Flüssigkeit getrennt. Der Umwälzstrom
U1 gelangt wieder in die Umwälzpumpe P6. Während der Dampfmassenstrom
d1 in den Hochdruckabsorber HA an der obersten Stelle eingeführt wird (Zustand 9). Gleichzeitig
gelangt die arme Lösung
a vom Zustand 4' in den Hochdruckabsorber HA und wird auf sein senkrecht angeordnetes
Rohrbündel gleichmäßig verteilt. In den Rohren nimmt die arme Lösung
a den eingeführten Dampf
d2 auf und gibt dabei die Absorptionswärme ab. Dies geschieht in den Rohren im Gleichstrom
in Richtung des Sumpfes. Dort bildet sich die reiche Lösung
r1 vom Zustand 1 in flüssiger Form. Im äußeren Raum des Rohrbündels umströmen der Umwälzstrom
U2 und der eingeführte Speisewasserstrom
ND die Rohre. Dabei verdampft der Speisewasserstrom
ND durch Aufnahme der Absorptionswärme, so daß am Austritt aus dem Rohrbündel eine Zweiphasenströmung
vorliegt. Im Dampfabscheider G2 wird dann der verdampfte Speisewasserstrom
ND von der Flüssigkeit getrennt und kann nun als Nutzdampf (z. B. in einem Dampfnetz)
verwendet werden. Der Massenstrom der reichen Lösung
r1 vom Zustand 1 am Austritt des Hochdruckabsorbers verfügt über eine hohe Temperatur
und heizt im Wärmetauscher LW2 die ankommende arme Lösung vom
a vom Zustand 4'' auf den Zustand 4' auf. Danach erfährt die reiche Lösung
r1 vom Zustand 1' im Drosselventil V2 eine Entspannung auf den Innendruck des Mitteldruckabsorbers
MA (Zustand 10).
[0021] Der Absorptionsvorgang im Mitteldruckabsorber MA beginnt dann vom neuen, und es entsteht
durch Aufnahme des Dampfes
d2 die noch weiter angereicherte Lösung
r2 (Zustand 2'). Diese reiche Lösung
r2 gibt dann im Wärmetauscher LW3 Wärme an das ankommende Kondensat vom Zustand 7 ab.
Nach Abkühlung auf den Zustand 2'' erfolgt eine weitere Wärmeabgabe an die arme Lösung
a vom Zustand 4, so daß der Zustand 2'' entsteht. Danach gelangt die reiche Lösung
r2 nach Entspannung im Drosselventil V1 (Zustand 2) in den Austreiber A. Hier verdampft
der erforderliche Lösungsmittelstrom
d (Zustand 5) durch Zufuhr der Wärme über den Wärmeträger
H1. Der Dampf gelangt dann über einen Tropfenabscheider in den Kondensator, während
die arme Lösung
a vom Sumpf abgezogen wird (Zustand 3) und über die Pumpe P2 durch den Wärmetauscher
LW1 zwecks Aufheizung gepumpt wird (Zustand 4). Nach der Aufheizung (Zustand 4'')
gelangt die arme Lösung in den Wärmetauscher LW2 und wird nach Erwärmung (Zustand
4') in den Hochdruckabsorber HA geschickt. Damit ist der Kreislauf geschlossen.
[0022] Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
[0023] Die reiche Lösung
r2 wird im Drosselventil V1 entspannt und über die Verteilerdüse D1, die mit dein Deckel
C1 verbunden ist, in die gemeinsame Eintrittskammer K1 des Austreibers A und des Kondensators
K eingeführt. Die Eintrittskammer enthält eine Trennwand T1, die den Verteilerraum
im Austreiber und den Dampfraum im Kondensator voneinander trennt. Die Düse D1 verteilt
die reiche Lösung
r2 gleichmäßig auf das Rohrbündel des Austreibers A, so daß die Flüssigkeit innerhalb
der Rohre als dünner Rieselfilm nach unten fließen kann. Die Rohre RA und RK des Austreibers
und des Kondensators werden von zwei gemeinsamen, rechteckigen Rohrböden R1 und R2
begrenzt. Die äußeren Räume der Rohrbündel sind durch die Trennwand T2 voneinander
getrennt, die gemäß Fig. 3a aus zwei Blechen L1, L2 und der dazwischen angebrachten
Isolierung I besteht. Die Isolierung I verhindert die Wärmeübertragung zwischen dein
Austreiber und dem Kondensator.
[0024] Der Austreiber hat zwecks einer gleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung vorzugsweise
einen quadratischen Querschnitt, der Kondensator einen rechteckigen Querschnitt. Die
Beheizung des Austreibers erfolgt mit dem Teilstrom
H1 des Abfallwärmeträgers
H. Zur Wärmeabgabe tritt der Teilstrom
H1 über den Stutzen S1 oben in den Außenraum des Rohrbündels ein, wird über mehrere
Umlenkbleche B1, B2, B3 im Kreuzstrom zu den Rieselfilmen in den Rohren RK geführt,
dabei abgekühlt oder teilweise bzw. ganz kondensiert. Nach der Wärmeabgabe tritt
H1 unten aus dem Stutzen S2 aus. Durch den über
H1 zugeführten Wärmestrom verdampft aus der reichen Lösung
r2 der Teil
d, der in den Rohren RK einen Dampfkern bildet und gemeinsam mit den Rieselfilmen nach
unten strömt. Durch Austreiben des Lösungsmittels
d (dampfförmig) entsteht am unteren Ende des Rohrbündels die arme Lösung
a (flüssig). Die arme Lösung wird über das Ableitblech B4 vom Sumpf der gemeinsamen
Austrittskammer K2 gesammelt und unten (Zustand 3) abgezogen. Der Dampf
d (Zustand 5) gelangt durch den Tropfabscheider M1 in den kondensatseitigen Sumpf oberhalb
des Flüssigkeitsstandes und strömt zur Kondensation in Richtung der Kondensatorrohre
RK nach oben. Der Tropfenabscheider M1 wird vom Ableitblech B4 und von der Trennwand
B5 gehalten, die ihrerseits mit dem Gehäuse der Austrittskammer K2 verbunden sind.
Die Trennwand B5 trennt den Sumpf des Austreibers von dem des Kondensators. Zur Veranschaulichung
sind die Teile und die Massenströme in Fig. 3b im Längsschnitt dargestellt. Diese
Anordnung ermöglicht, daß der Dampf
d tropfenfrei und ungehindert in den Kondensator eintreten und nach oben strömen kann.
In den Rohren RK kondensiert der Dampf. Das Kondensat bildet einen Rieselfilm, strömt
im Gegenstrom zum Dampf nach unten und sammelt sich schließlich im Sumpf von K2, aus
dem es abgezogen wird (Zustand 6). Die Kondensation erfolgt hierbei vollständig. Nichtkondensierbare
Gase werden (z. B. durch eine Vakuumpumpe) über den Deckel C1 abgezogen (in Fig. 2
nicht eingezeichnet). Zur Kondensation dient das Kühlwasser
w, das über den Stutzen S3 in den Außenraum des Kondensatorrohrbündels eintritt, nach
unten fließt, sich dabei erwärmt und den Kondensator über den Stutzen S4 verläßt.
[0025] Der Deckel C1, die Eintrittskammer K1, das gemeinsame Gehäuse des Austreibers A und
des Kondensators K werden durch die Flansche F1, F2, F3, F4 und F5 miteinander verbunden.
Zur Abdichtung nach außen werden der Flanschform entsprechend Dichtungen verwendet.
[0026] Nach Austritt aus dein Kondensator wird das Kondensat des Lösungsmittels
d nach Druckerhöhung durch die Pumpe P3 (Zustand 7) im Lösungswärmetauscher LW3 auf
eine höhere Temperatur gebracht (Zustand 7') und anschließend in die Massenströme
d1 und
d2 aufgeteilt. Der Massenstrom
d2 wird gemeinsam mit dem umlaufenden Massenstrom
V von der Pumpe P4 zum Verdampferkopf gefördert und durch die am Deckel C2 befindlichen
Düsen D2 und D3 über die gemeinsame Eintrittskammer K3 auf das Rohrbündel des Verdampfers
V gleichmäßig verteilt. In den Verdampferrohren RV bilden sich Rieselfilme, die nach
unten strömen und durch Wärmezufuhr teilweise verdampfen. Die Wärme wird durch den
Teilstrom
H2 des Abwärmeträgers
H zugeführt. Dazu durchströmt
H2 nach Eintritt über den Stutzen S5 den Außenraum des Rohrbündels über mehrere Umlenkbleche
B6, B7, B8 im Kreuzstrom zu den Rieselfilmen in den Rohren RV. Nach Wärmeabgabe verläßt
H2 den Verdampfer über den Stutzen S6 und wird gemeinsam mit
H1 aus dem Austreiber abgeführt. Die Aufteilung des Abfallwärmeträgers
H in
H1 und in
H2 für den Austreiber und für den Kondensator vollzieht sich über die Regelventile V3
und V4.
[0027] Dem Verdampfer wird soviel Wärme zugeführt, bis der eintretende Strom
d2 vollständig am unteren Ende des Rohrbündels verdampft ist. Der Dampf bildet sich
im Rohrkern und strömt gemeinsam mit dem Umwälzstrom
V nach unten in Richtung des Sumpfes, der in der Austrittskammer K4 untergebracht ist.
Zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Rohrbedeckung dient der Umwälzstrom
V, der über das Ableitblech B9 in den Sumpf des Verdampfers gelangt und anschließend
gemeinsam mit
d2 (flüssig) durch die Pumpe P4 umgewälzt wird. Der im Verdampfer erzeugte Dampf
d2 durchströmt den Tropfenabscheider M2 und strömt oberhalb des Sumpfes des Mitteldruckabsorbers
in Richtung der Rohre RMA zwecks Absorption nach oben. Der Tropfenabscheider M2 wird
vom Ableitblech B9 und von der Trennwand B10 gehalten. Fig. 3c zeigt im Längsschnitt
die einzelnen Ströme und Teile der Austrittskammer K4. Zur Absorption des Dampfes
d2 wird die reiche Lösung
r2 durch die Düse D4, die am Deckel C2 angeordnet ist, aufgegeben und über die gemeinsame
Eintrittskammer K3 auf die Rohre RMA gleichmäßig verteilt. Es bilden sich Rieselfilme,
die nach unten fließen, den im Gegenstrom ankommenden Dampf
d2 absorbieren und dabei die Absorptionswärme freisetzen, die im Außenraum des Rohrbündels
zur Erzeugung des Hochdruckdampfes
d1 verwendet wird. Nach der Absorption entsteht die reiche Lösung
r2, die aus dein Sumpf von K4 (Zustand 2') abgezogen wird. Die reiche Lösung gibt anschließend
in den Wärmetauschern LW3 und LW1 Wärme an das Arbeitsmittelkondensat
d und an die arme Lösung
a ab und kühlt sich in der Reihenfolge auf die Zustände 2'' und 2''' ab.
[0028] Sie tritt dann nach Drosselung im Ventil V1 in den Austreiber A ein und die beschriebenen
Vorgänge laufen wieder ab.
[0029] Zur Wärmeaufnahme im Mitteldruckabsorber MA wird der Teilstrom
d1 gemeinsam mit dem Umwälzstrom
U1 durch die Pumpe P6 in den Außenraum des Rohrbündels gefördert und durch mehrere Umlenkbleche
B11, B12, B13 im Kreuzstrom zur Absorptionsseite mehrfach umgelenkt. Durch Aufnahme
der Absorptionswärme verdampft der zugeführte Teilstrom
d1 vollständig, so daß sich im Außenraum des Rohrbündels eine Zweiphasenströmung ausbildet.
Das zweiphasige Gemisch verläßt den Mitteldruckabsorber durch den Stutzen S7 und wird
im Dampfabscheider G1 in Dampf und Flüssigkeit getrennt. Der Dampf (Zustand 9)
d1 gelangt in den Hochdruckabsorber HA, während der flüssige Anteil
U1 gemeinsam mit dem flüssigen Teilstrom
d1 durch die Pumpe P6 und den Stutzen S8 in den Außenraum des Rohrbündels zurückfließt.
[0030] Der Mitteldruckabsorber MA und der Verdampfer V sind wie der Austreiber und der Kondensator
in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Sie besitzen den Deckel C2, die Eintrittskammer
K3 mit der Trennwand T2, die gemeinsamen Rohrböden R3 und R4, die Trennwand T4, die
die Außenräume der Rohrbündel voneinander trennt und eine Isolierschicht enthält und
schließlich die Austrittskammer K4. Die Verbindung der Teile erfolgt über die Flansche
F6, F7, F8, F9 und F10 mit dazu geeigneten Dichtungen. Der Mitteldruckabsorber hat
vorzugsweise einen quadratischen, der Verdampfer einen rechteckigen Querschnitt.
[0031] Zur Erzeugung von Nutzwärme durch Absorption werden die arme Lösung
a und der Hochdruckdampf
d1 im Hochdruckabsorber HA zusammengebracht. Die arme Lösung
a wird nach Druckerhöhung durch die Pumpe P2 (Zustand 4) zunächst im Wärmetauscher
LW1 (Zustand 4'') und anschließend im Wärmetauscher LW2 erwärmt. Sie wird durch die
am Deckel C3 befindliche Düse über die Eintrittskammer K5 auf die Rohre RHA des Hochdruckabsorbers
HA verteilt, so daß nach unten fließende Rieselfilme entstehen. Parallel hierzu wird
der Hochdruckdampf
d1 über S9 eingeführt. Der Dampf
d1 als Dampfkern und die arme Lösung
a als Rieselfilm strömen in den Rohren RHA nach unten und setzten durch Aufnahme des
Dampfes durch die Flüssigkeit die Absorptionswärme bei höherer Temperatur frei, die
vom Nutzwärmeträger im Außenraum des Rohrbündels als Nutzwärme aufgenommen wird.
[0032] Am unteren Ende des Rohrbündels ist die Absorption beendet, und es entsteht die reiche
Lösung
r1, die nach Abzug aus dem Sumpf der Austrittskammer K6 (Zustand 1) im Wärmetauscher
LW2 Wärme an die ankommende arme Lösung abgibt. Nach Abkühlung im Wärmetauscher LW2
(Zustand 1') und Entspannung im Drosselventil V2 (Zustand 10) gelangt die reiche Lösung
r1 in den Mitteldruckabsorber MA. Damit ist der Kreislauf geschlossen.
[0033] Die beschriebene Vorrichtung weist besondere Vorteile auf die die Wirtschaftlichkeit
der Wärmetransformation entscheidend verbessern. Die Fertigung des Austreibers und
des Kondensators und in ähnlicher Weise die Fertigung des Mitteldruckabsorbers und
des Verdampfers, kann in einem Arbeitsgang geschehen. Das Bohren und das Berohren
können für jeweils zwei Apparate in einem Arbeitsschritt durchgeführt werden. Durch
Integration von zwei Apparaten in ein Gehäuse wird in beachtlichem Umfang Material,
Gewicht und Arbeitsaufwand gespart. Schließlich können die Apparate und die Komponenten
kompakt angeordnet werden, wodurch die Montage vereinfacht, der Aufwand für Rohrleitungen
reduziert und der Transport erleichtert wird.
[0034] Aus den Vorteilen resultiert eine kürzere Amortisationszeit, die die Anwendung der
beschriebenen Wärmetransformation für viele Prozesse attraktiv macht.
1. Verfahren zur Erzeugung von Nutzwärme höherer Temperatur durch Einsatz von Abfallwärme
niederer Temperatur, bei dem ein Arbeitsgemisch zur Durchführung von Umwandlungsprozessen
in einem geschlossenen Kreislauf, bestehend aus einem Hochdruck-, einem Mitteldruck-
und einem Niederdruckteil, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einem
Kondensator (K) kommende Arbeitsmittelkondensat (
d) nach einer Druckerhöhung und einer Erwärmung durch eine reiche Lösung
r2) in zwei Teilströme (
d1) und (
d2)aufgeteilt wird, und daß der Teilstrom (
d1) nach Druckerhöhung zunächst im Außenraum des Rohrbündels eines Mitteldruckabsorbers
(MA) durch Zufuhr von Absorptionswärme verdampft, anschließend einem Hochdruckabsorber
(HA) zugeführt und darin von einer armen Lösung (
a) unter Freisetzung von Nutzwärme durch Absorption aufgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom (
d2) des Arbeitsmittelkondensates einem Verdampfer (V) zugeführt, dort verdampft und
anschließend dem Innenraum des Rohrbündels eines Mitteldruckabsorbers (MA) zugeführt
wird, indem er von einer reichen Lösung (
r1) unter Freisetzung von Absorptionswärme zur Verdampfung des Teilstromes (
d1) im Außenraum des Rohrbündels aufgenommen wird und dabei die reiche Lösung (
r2) bildet.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem Austreiber
(A) kommende arme Lösung (
a) nach Druckerhöhung zunächst durch die aus dem Mitteldruckabsorber (MA) kommende
reiche Lösung (
r2) und anschließend durch die aus dem Hochdruckabsorber (MA) kommende reiche Lösung
erwärmt wird.
4. Verfahren, nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reiche Lösung
(
r1) vor dem Eintritt in den Mitteldruckabsorber (MA) und die reiche Lösung (
r2) vor dem Eintritt in den Austreiber (A) entspannt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom (
d1) vor dem Eintritt in den Außenraum des Rohrbündels des Mitteldruckabsorbers (MA)
zwecks Massenstromerhöhung mit einem Umwälzstrom (
U1) vermischt und nach Verdampfung in einem Abscheider (G1) von diesem befreit wird,
wobei der Umwälzstrom wieder zum Eintritt zurückgeführt wird.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des
Abfallwärmeträgers (
H) in die Teilströme (
H1) und (
H2) zur Beheizung des Austreibers (A) und des Verdampfers (V) über zwei Regelventile
(V3 und V4) erfolgt.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die reiche Lösung (
r1) führende Leitung eines Hochdruckabsorbers (HA) über einen Wärmetauscher (LW2) und
ein Drosselventil (V2) mit einem Mitteldruckabsorber (MA) verbunden ist, der seinerseits
über die dessen reiche Lösung (
r2) führende Leitung über zwei Wärmetauscher (LW3 und LW1) und ein Drossselventil (V1)
mit einem Austreiber (A) verbunden ist, dessen arme Lösung (
a) zum Hochdruckabsorber (HA) durch eine Verbindungsleitung fließt, in der eine Pumpe
(P2) und zwei Wärmetauscher (LW1) und (LW2) in Reihe geschaltet sind, daß die Leitung
des Arbeitsmittelkondensates von einem Kondensator (K) beginnend eine zweite Pumpe
(P3), einen Wärmetauscher (LW3) und eine Abzweigung enthält, die für den Teilstrom
(
d2) mit einem Verdampfer (V) und für den Teilstrom (
d2) über eine Pumpe (P5) mit dem Außenraum des Rohrbündels des Mitteldruckabsorbers
(MA) verbunden ist, und daß die Zuströmung des Arbeitsmitteldampfes (
d) vom Austreiber (A) zum Kondensator (K) über einen Tropfenabscheider (M1) und die
Zuströmung des dampfförmigen Teilstromes (
d2) vom Verdampfer (V) zum Mitteldruckabsorber (MA) über einen Tropfenabscheider (M2)
erfolgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Austreiber (A) und der
Kondensator (K) vertikale Rohranordnungen (RA) und (RK) besitzen, die in zwei gemeinsamen
Rohrböden (R1 und R2) mit den angrenzenden Flanschen (F3 und F4) enden und in einem
prismatischen Gehäuse mit rechteckigem Querschnitt untergebracht und durch eine Trennwand
(T2), die eine Isolierung enthält, voneinander getrennt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Austreiber (A) und der
Kondensator (K) eine gemeinsame Eintrittskammer (K1) mit rechteckigem Querschnitt
und zwei angrenzenden rechteckigen Flanschen (F1 und F2) sowie einer Trennwand (T1)
besitzen, die den Dampfraum des Kondensators von dem Raum der zufließenden armen Lösung
des Austreibers trennt.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Austreiber
(A) und der Kondensator (K) eine gemeinsame Austrittskammer (K2) mit rechteckigem
Querschnitt und einem aufgesetzten Flansch (F5) besitzen, die die Sümpfe für die arme
Lösung (
a) und das Arbeitsmittelkondensat (
d) durch ein Ableitblech (B4) für die arme Lösung, einen Tropfenabscheider (M1) für
den Arbeitsmitteldampf und eine Trennwand (B5) voneinander trennt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Außenraum des Rohrbündels
des Austreibers (A) horizontale Umlenkbleche (B1, B2, B3) zur Führung des Abfallwärmeträgers
(
H1) vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der armen
Lösung auf das Rohrbündel des Kondensators (K) durch eine Düse (D1) erfolgt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel des Austreibers
(A) vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt besitzt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Austreiber A und der
Kondensator (A) einen gemeinsamen Deckel (C1) mit rechteckigem Querschnitt besitzen,
in den die Düse (D1) eingelassen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (V) und der
Mitteldruckabsorber (MA) vertikale Rohranordnungen (RV und RMA) besitzen, die in zwei
gemeinsamen Rohrböden (R3 und R4) mit den angrenzenden Flanschen (F8 und F9) enden
und in einem prismatischen Gehäuse mit rechteckigem Querschnitt untergebracht und
durch eine Trennwand (T4), die eine Isolierung enthält, voneinander getrennt sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (V) und der
Mitteldruckabsorber (MA) eine gemeinsame Eintrittskammer (K3) mit rechteckigein Querschnitt
und zwei angrenzenden, rechteckigen Flanschen (F6 und F7) sowie einer Trennwand (T3)
besitzen, die den Verteilerraum des Verdampfers von dein des Mitteldruckabsorbers
trennt.
17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer
(V) und der Mitteldruckabsorber (MA) eine gemeinsame Austrittskammer (K4) mit rechteckigem
Querschnitt und einem aufgesetzten Flansch (F10) besitzen, die die Sümpfe für die
reiche Lösung (
r2) und den Umwälzstrom (
V) durch ein Ableitblech (B9) für den Umwälzstrom (
V,) einen Tropfenabscheider (M2) für den verdampften Teilstrom (
d2) und eine Trennwand (B10) voneinander trennt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Außenraum des Rohrbündels
des Verdampfers (V) horizontale Umlenkbleche (B6, B7, B8) zur Führung des Abfallwärmeträgers
(
H2) vorgesehen sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Außenraum des Rohrbündels
des Mitteldruckabsorbers MA horizontale Umlenkbleche (B11, B12, B13) zur Führung des
Naßdampfgemisches (
U1 +
d1) vorgesehen sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Flüssigkeit
(
V +
d2) im Verdampfer durch zwei Düsen (D2 und D3) erfolgt.
21. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der reichen
Lösung (
r1) im Mitteldruckabsorber (MA) durch eine Düse (D4) erfolgt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (V) und der
Mitteldruckabsorber (MA) einen gemeinsamen Deckel (C2) besitzen, in den die Düsen
(D2, D3 und D4) eingelassen sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel des Mitteldruckabsorbers
(MA) vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt besitzt.
24. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer einen rechteckigen
Querschnitt mit einem Verhältnis der Kantenlängen von zwei zu eins besitzt.
25. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckabsorber vertikale
Rohranodnungen (RHA) besitzt, die in zwei Rohrböden (R5 und R6) mit den angrenzenden
Flanschen (F13 und F14) enden und in einem prismatischen Gehäuse mit quadratischem
Querschnitt untergebracht sind.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckabsorber (HA)
eine Eintrittskammer (K5) mit rechteckigem Querschnitt und zwei angrenzenden Flanschen
(F11 und F12) besitzt.
27. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckabsorber
(HA) zur Aufnahme der reichen Lösung (
r1) eine Austrittskammer K6 mit quadratischem Querschnitt und einem aufgesetzten Flansch
(F15) besitzt.
28. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß im Außenraum des Rohrbündels
des Hochdruckabsorbers Umlenkbleche (B14, B15, B16) zur Führung des Nutzwärmeträgers
(
U2) vorgesehen sind.
29. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der armen
Lösung (
a) im Hochdruckabsorber (HA) durch eine Düse (D5) erfolgt.
30. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckabsorber einen
Deckel (C3) mit quadratischem Querschnitt besitzt, in den die Düse (D5) eingelassen
ist.